Flexible Laserbearbeitung

Andreas Mühlbauer,

Ultrakurzpuls-Laser für den Mittelstand

Laserschneid- und Bearbeitungsanlagen können dazu beitragen, Prozesse effizienter, günstiger und präziser zu machen. Um diese Systeme auch für kleine und mittelständische Unternehmen rentabel zu machen, haben zwei Spezialisten eine flexible Laser-Anlage mit automatischer Auswahl des Betriebsmodus je nach Applikation und Material entwickelt. 

Das SMAART-System kommt in Anlagen zum Bohren, Schneiden, Strukturieren und Abtragen zum Einsatz. Hier ein Laserdrehteil aus Hartmetall mit Bohrungen. © GFH / neoLase

Die Nachfrage nach hochwertigen Bauteilen in großer Stückzahl sowie die Verlagerung von Wertschöpfungsketten in Regionen mit niedrigen Produktionskosten sorgen bei vielen Fertigungsbetrieben für Wettbewerbsdruck, der sich oft nur durch schnellere Bearbeitungsverfahren abfedern lässt. Dafür sind moderne Technologien mit hohem Automatisierungsgrad notwendig, die gerade für kleine und mittlere Unternehmen überdimensioniert erscheinen. Häufig sind die Beschaffungskosten schlicht zu hoch – wie etwa für Ultrakurzpuls-Laseranlagen, die hochpräzise, kontaktlos und dadurch materialschonend operieren. Bisher waren solche Anlagen nicht nur sehr teuer, vielmehr zeigten sie sich komplex im Aufbau und auf einzelne Fertigungsschritte beschränkt. In der Praxis mussten so häufig verschiedene Anlagen für unterschiedliche Bearbeitungsverfahren angeschafft werden oder aufwendige und lange Umrüstarbeiten durchgeführt werden. Auch die Voraussetzung für umfangreiches Know-how in Bezug auf die Steuerung und die Lasertechnik, um optimale Ergebnisse liefern zu können, machte die Technologie für kleine und mittelständische Unternehmen bislang unrentabel und stellte den Grund für gehemmte Investitionsbereitschaft dar.

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Im Rahmen des EU-Förderprogramms „Horizon 2020“ haben die Unternehmen GFH und neoLase gemeinsam eine kostengünstige und branchenübergreifende Lösung entwickelt. Bei dem „Smart Modular All-in-One Robust Laser Machining Tool“ (SMAART) handelt es sich um ein hochflexibles und vollautomatisches Laserbearbeitungssystem, das mittels eines eigens programmierten intelligenten Steuerungssystems automatisch zwischen verschiedenen Arbeitsschritten wie Laserdrehen oder Feinstrukturieren wechselt.

Durch das flexible Verstärkerdesign des GAP-Moduls lassen sich auf den GL-Anlagen unterschiedliche Pulsdauern und Leistungsklassen abrufen. © GFH / neoLase

Das System ist in die neuen Anlagetypen von GFH integrierbar. Je nach vorhandenem Bearbeitungs- material und Bearbeitungsprozess bietet es über die Eingabemaske die passende Laserauswahl – Piko- oder Femtosekunden-Laser – an und generiert die richtigen Prozessparameter. Auf diese Weise lässt sich ohne umfangreiche Spezialkenntnisse auf dem Gebiet der Laserbearbeitung effizienter und mit größerer Bandbreite produzieren. „So lässt sich eine schnelle Amortisation erreichen, und die Etablierung der Laserbearbeitung als Schlüsseltechnologie für den gesamten Sektor der Materialbearbeitung ist realistisch“, erklärt Maik Frede, Geschäftsführer von neoLase.

Flexibles Verstärkerdesign für variable Pulsdauer und Leistungsklassen

Zu Beginn war es nur eine vage Idee, geboren auf einem Laser-Netzwerktreffen. „Ein gemeinsamer Erfahrungsaustausch im Anschluss der Veranstaltung hat gezeigt, dass die Lasertechnologie prädestiniert für ein solches Vorhaben ist“, erklärt Anton Pauli, Geschäftsführer von GFH. „Durch die kontaktlose und flexible Bearbeitung mit Lasern ohne nennenswerte Wärmeleitung hat die Technologie das Potenzial, auch energieaufwendige Prozesse zu ersetzen.“ Für beide Unternehmen galt es zunächst, die Herausforderungen, die Marktsituation, den technischen Status quo sowie die notwendigen Entwicklungsschritte genau zu definieren. „Damit die Umsetzung eines solchen Projekts überhaupt möglich wird, mussten wir die Lasertechnologie kundennäher gestalten und ihre Komplexität minimieren“, erläutert Frede.

Damit sich die hohe Flexibilität – also das Wechseln zwischen verschiedenen Arbeitsschritten und Laserparametern ohne Umrüsten – garantieren lässt, ist es notwendig, dass eine universelle Laserquelle für die Bearbeitung bereitsteht, deren Pulsdauer und Intensität sich zügig automatisch anpassen lässt. Die Maschinen mit integriertem SMAART-Tool verfügen über eine Art eigene Intelligenz, welche die jeweiligen Parameter und Komponenten für die einzelnen Bearbeitungsschritte automatisch erkennt, ohne dass diese durch einen Bediener im Voraus berechnet und manuell in die Steuerung eingegeben werden müssen. „Diese Schaltzentrale liefert uns neoLase mit ihrem GAP-Modul“, sagt Pauli. „Durch das flexible Verstärkerdesign lassen sich auf unseren GL-Anlagen unterschiedliche Pulsdauern und Leistungsklassen abrufen, ohne zusätzlich CPA- oder regenerative Verstärker integrieren zu müssen.“ Dies ermöglicht einen kompakten Aufbau der Anlagen, die dennoch Pulsenergien bis zu 400 µJ und mittlere Leistungen von 80 W generieren können. Gleichzeitig werden zusätzliche Kosten durch aufwendigere Laser oder Komponenten vermieden. „Die Bearbeitungsanlagen von GFH sind generell auf Modularität und Flexibilität ausgelegt, weshalb sie perfekt für unsere Verstärkermodule geeignet sind“, bestätigt Frede. Da durch Kombination beider Technologien der Pulsbereich zwischen 500 ps und 500 fs abgedeckt und ein schneller Wechsel garantiert ist, kann die Anlage signifikante Geschwindigkeitsvorteile und Qualitätssteigerungen erzielen. Durch die gleichzeitige Nutzung von Piko- und Femtosekundenpulsen ist sogar darüber hinaus eine weitere Optimierung der Abtragsgeschwindigkeit vorstellbar.

Berührungslose Bearbeitung ersetzt energieintensive Prozesse

Modulare Lasertechnologie auf geringstem Bauraum ermöglicht kompakte und flexible Laser-Materialbearbeitungszentren. © GFH / neoLase

Dazu trägt auch die berührungslose Bearbeitung mittels Lasereintrag bei. Weil die Pulse so kurz sind, dass keine nennenswerte Wärmeleitung stattfindet, werden Materialaufschmelzung, Gefügeveränderungen, Phasenumwandlungen und thermische Spannungen im Werkstück vermieden. „So eröffnet sich ein großes Anwendungsfeld für die Herstellung von Mikrokomponenten nicht nur im klassischen Maschinenbau, sondern auch für diverse Industrien wie die Medizintechnik oder die Textil- und Uhrenindustrie“, erklärt Pauli. „Im Idealfall lassen sich energieintensive oder ökologisch bedenkliche Prozesse ersetzen.“ Dies ist besonders wichtig, soll gleichbleibend hohe Qualität in großer Stückzahl erreicht werden, ohne die Produktionskosten zu erhöhen. Damit die gewünschte Flexibilität von Beginn an gewährleistet ist, verfügen SMAART-fähige Anlagen neben der optimierten Hardware auch über eine integrierte Datenbank, auf der die Prozessparameter wie Pulsdauer, Verfahrweg der Optik oder Werkstückmaße und Materialart hinterlegt sind. So ist es möglich, über die Eingabemaske aus über 100 Bearbeitungsverfahren zum Laserbohren, Laserschneiden, Strukturieren und Abtragen von Metall, Keramik, Glas und Polymeren auszuwählen. „Somit kann der Bediener einfach per Knopfdruck den gewünschten Arbeitsschritt initiieren. Die Ausrichtung der Maschine erfolgt dann automatisch in derselben Aufspannung“, erklärt Frede. „Sollten neue, noch nicht vorhandene Anwendungen oder Parameter hinzukommen, werden Maschine und GAP entsprechend angepasst.“ Auf diese Weise lässt sich SMAART kontinuierlich weiterentwickeln und kann „dazulernen“.

Anwenderfreundlichkeit und Qualitätskontrolle

Damit auch die Werkstückqualität selbst bei schwierig zu bearbeitenden Materialien wie Diamant gleichbleibend hoch ist, verfügen SMAART-fähige Anlagen mit einer Online-Qualitätskontrolle über ein Tool, das die Prozessparameter während der Bearbeitung validiert. Dadurch sind auch während des laufenden Arbeitsschritts Qualitätsproben möglich.

„Wir wollten nicht einfach nur die Lasertechnik optimieren, sondern den Mehrwert dieser Verfahren so gut es geht steigern, etwa mit Vereinfachungen im Handling“, erklärt Geschäftsführer Pauli. „Eine zuverlässige Maschinenlösung, mit der sofort universell produziert werden kann, hält den Betrieb konkurrenzfähig und lässt ihn langfristig wachsen, ohne Personaldruck oder Investitionsängste fürchten zu müssen.“

Florian Lendner, MBA B.Eng., Geschäftsführer GFH / am

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